第2章 遗传物质与基因

核酸的一级结构就是指四种核苷酸的 连接及其排列顺序，表示了该核酸分 子的化学构成。
分子组成： —— 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱 含N杂 环化合物 —— 戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖 —— 磷酸(phosphate)
单核苷酸5’－磷酸基团向 核苷链的3’－OH发起进攻 形成磷酸二酯键 磷酸盐
④具有少量的重复序列。 ⑤功能上密切相关的基因构成操纵子 (operon)或高度集中，并且常转录成为多 基因mRNA。
⑥蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在。
⑦编码RNA的基因通常是多拷贝的。
病毒基因组的共同特点
①病毒基因组可以由DNA或RNA组成，每 种病毒颗粒中只含有一种核酸。 ②病毒与细菌或真核细胞相比，基因组很 小，基因数少，所含的遗传信息也相应地 减少，它们依赖宿主细胞的许多功能来进 行复制。 ③病毒基因组存在重叠基因，即同一段 DNA片段可编码2～3种蛋白质分子。
Griffith的 转化实验
(Transformation Experiment)


3年后，发现有加热杀死的S型菌存在条件下， 体外培养的R型的培养物也可以发生这种转化 作用。 此后不到两年，发现S型菌的无细胞抽提物加 到生长着的R型培养物上，也能产生R向S的转 化。提示加热杀死的S型菌的培养物或无细胞 抽提物中，一定存在着某种导致细菌类型发生 转化的物质。
B-DNA

DNA分子是由两条反 向平行的脱氧核苷酸 链围绕同一中心轴相 互盘绕而成，形成双 螺旋结构，主链位于 螺旋的外侧，而且两 条链的5’和3’方向相反。

DNA分子中的脱氧 核糖和磷酸通过3’， 5’-磷酸二酯键交替 连接，排在外侧，构 成基本骨架，两条链 碱基通过氢键形成碱 基对，使两条链连在 一起，碱基对的平面 与轴线垂直。
5’
戊糖
含氮碱基
1.3 DNA的二级结构

DNA的二级结构，是指两条多核苷酸链 反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。 通常情况下，DNA的二级结构分两大类： 一类是右手螺旋，如A-DNA和B-DNA等； 另一类是左手螺旋，即Z-DNA。

Watson和Crick所用的资料来自相对湿 度为92%时所得到的DNA钠盐纤维。 这种DNA称为B型DNA。很早人们就 知道DNA可以以多种形式的双螺旋结 构存在，双螺旋的构象现已知有A、B、 C、D、E、T、Z七种。

从1910年到1925年摩尔根(T.H.Morgan) 选用果蝇做研究材料对遗传因子与染色 体的结构关系进行了研究，于1926年发 表的《基因论》证明基因是位于染色体 上呈直线排列的遗传单位。基因既是携 带遗传信息的结构单位，又是控制遗传 性状的功能单位。
基因概念的发展
1866 Mendel (1822-1884): “Mendelian factor” 《Experiments on plant hybrids》 Particulate inheritance 1909 Johanson: “Gene” 1910 Morgan: genes were physically in the chromosomes 1941 Beadle & Tatum: “one gene one enzyme” 1951 McClintock: Ds-Ac Controlling element 1957 Benzer: Cistron 1961 Jacob & Monod: Operon 1977 Berger: Ad2 Interrupted gene 1978 Gibert: Intron and exon 1997 Sanger: Overlapping gene
转化的物质是什么？ Griffith最初认为“接种物中死细菌 可能提供了某些特异的蛋白质为食料， 使R型细胞具备制造夹膜的能力”


用实验证明遗传物质就是DNA分子却 是1944年，由美国著名微生物学家 Avery和他的同事 McCarty和MacLeod 完成的。

认为转化实验中DNA并未能提得很纯，还 附有其它物质。
1.1 证明DNA是遗传物质的几个经典实验
1、肺炎双球菌转化实验（1928） S型肺炎双球菌在其细胞壁的外面有一个多 糖的夹膜-致病性，光滑型(S)的肺炎球菌对 小鼠有致死性； R型肺炎双球菌的外面没有夹膜，粗糙型(R) 的肺炎球菌不具致死性




用S型致病菌侵染小鼠-> 小鼠死亡 用R型致病菌侵染小鼠->小鼠存活 用经烧煮灭活的S型致病菌侵染小鼠>小鼠 存活 用经烧煮灭活的S型致病菌与R型致病菌混 和液侵染小鼠->小鼠死亡，剖析发现小鼠 心血中有S型双球菌。
第二章 遗传物质与基因
第一节 遗传物质的物质基础 第二节 基因和基因组的概念 第三节 原核生物基因组 第四节 真核生物基因组
第一节 遗传物质的物质基础



遗传物质应具有的特点 分子结构的相对稳定性（储存遗传信息） 能够复制、保持上下代的连续性（传递遗 传信息） 能够指导蛋白质合成、控制生物性状和代 谢过程（表达遗传信息 ） 能够产生可遗传的变异（改变遗传信息）

在生物活体中，不论DNA的二级结构 还是高级结构，都是时刻变化的，即 在二级结构的各种构象间、在二级结 构与高级结构的各种构象间存在一个 动力平衡。

引起DNA双链构象改变有以下因素： ①核苷酸顺序； ②碱基组成； ③盐的种类和浓度； ④相对湿度。 当溶液环境发生适当的改变时，这些构象之 间可以发生相互转化,而且在每种构象家族中， 参数会有轻微的变化。
④噬菌体的基因是连续的，基因组中无 内含子，但感染真核细胞的病毒基因是 不连续的，具有内含子。
⑤病毒基因组的大部分是用来编码蛋白 质的，只有一小部分不被翻译，不翻译 的DNA序列包括基因之间的间隔区和基 因表达的调控序列。
⑥病毒基因组DNA序列中功能上相关的蛋 白质或rRNA基因常集中在基因组的一个 或几个特定部位，形成一个功能单位或转 录单位。 ⑦除反转录病毒基因组有两个拷贝外，其 它病毒基因组都是单倍体，在病毒颗粒中 每个基因只有一个拷贝。


1、基因的概念
基因是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷 酸序列，是遗传物质的最小功能单位。
根据基因是否具有转录和翻译功能,分三类： 第一类是编码蛋白质的基因，它具有转录和翻译功 能，包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码阻 遏蛋白的调节基因。 第二类是只有转录功能而没有翻译功能的基因，包 括tRNA基因和rRNA基因。 第三类是不转录的基因，它对基因表达起调节控制 作用，包括启动基因和操纵基因。
35
S
32
P
10’
Waring blender
离心
离心
图 9- Hershey 和 Chase 的 T2 渗震实验

在沉淀中32P含有70%，而在上清液中 仅有30%。

在沉淀中32P含有70%，而在上清液中仅有 30%。表明噬菌体感染细菌后带有32P的 DNA已注入细胞中，可能还有少部分的噬 菌体尚未将DNA注入宿主就被搅拌了下来， 所以上清液中约有30%的32P。


Z-DNA
1) 2)
3) 4) 5) 6)
7)
“之”字形（Zigzag） 走向。 G与核糖以顺式连接 直径1.8nm 每个螺旋含有12碱基对 碱基倾角9°，碱基平面不再与 螺旋轴垂直。 双螺旋中不存在大沟，只有小沟 中轴移向小沟。
A－DNA
B－DNA
Z－DNA
2、T2噬菌体感染实验

T2噬菌体是由蛋白质外壳和内部的DNA 组成，蛋白质构成外壳，DNA作芯子藏 在其中。

已知噬菌体的浸染开始于噬菌体对细菌的 附着，结束于被侵染细菌的裂解和子代噬 菌体的释放。中间发生的事情尚不清楚。 显然，噬菌体的遗传物质，无论它是什么， 都必须进入细菌中，来指导新的子代噬菌 体的产生。
第 四 节 真 核 生 物 基 因 组
真核生物基因组的特点
①真核生物的基因组比较庞大，具有多 个复制起始点。人的单倍体基因组含 有大约3～3.5万个基因。 ②一个基因组包括若干个染色体，一般 不呈环状。 ③真核生物的基因组DNA与蛋白质结合 形成染色体，储存于细胞核内。
1.2 DNA一级结构


核酸是以单核苷酸为基本结构单位，通过3’，5’ -磷酸二酯键形成的链状多聚体，单核苷酸是 由含氮碱基、戊糖、磷酸基团构成。 核酸又分为DNA和RNA二种。 DNA是由碱基（A、T、C、G）、脱氧核糖、 磷酸基团组成。RNA是由碱基（A、U、C、 G）、核糖、磷酸基团组成。

上清液中35S的含量为80%，沉淀中含 量为20%

这表明蛋白质的外壳脱落下来，并未进入 细胞中。沉淀中的20%可能由于少量的噬 菌体经搅拌后，仍吸附在细胞上所致。

这个实验结果进一步证实DNA是遗传 物质，而不是蛋白质。鉴于当时有许 多研究者已开始注意到DNA，因此和 Avery的时代不同，他们的结论很快得 到了承认，Hershey也因此荣获了1969 年诺贝尔医学生理学奖。




2、基因组的概念

基因组是指某种特定生物全部染色体 的遗传物质的总和，其大小通常以其 全部的DNA碱基对总数来表示。如人 类基因组为3×109bp。
第三节

原核生物基因组
原核生物基因组的结构特点
①原核生物基因组小，一般具有单一DNA 复制起点。 ②单个染色体，一般呈环状。 ③染色体DNA或RNA并不和蛋白质形成 固定的结合物。





T2噬菌体是由蛋白质外壳和内部的DNA组成， 蛋白质中含有硫而不含磷，DNA中含磷而不 含硫，所以Hershey等分别用同位素35S和32P， 来标记T2的蛋白外壳和DNA。 带有标记的噬菌体感染E.coli； 用搅拌器搅拌，使吸附在细胞表面上的噬菌 体脱落。 离心，细菌在沉淀中，噬菌体在上清。